Gestaltungsmodell zur thermischen Auslegung additiver Prototypenwerkzeuge aus Kunststoff

Additive Prototypenwerkzeuge aus Kunststoff bieten ein spannendes Nutzenpotenzial. Eine plastische Verformung bei niedrigen Temperaturen und eine verminderte thermische Leitfähigkeit verhindern die breite Anwendung. Das entwickelte Gestaltungsmodell stellt, neben der Abkühlung der Formmasse, den Erhalt der Funktion des Werkzeugs unter thermo-mechanischen Belastungen als ein zweites Ziel in den Fokus und bietet Ansätze zur Leistungssteigerung in der Nutzung additiver Prototypenwerkzeuge.

Additive Prototypenwerkzeuge aus Kunststoff bieten der Kunststoffherstellung ein spannendes Nutzenpotenzial. Für den Werkzeugbau sind additive Prototypenwerkzeuge eine Antwort auf die Verkürzung von Entwicklungszyklen oder Variantensteigerungen. Jedoch erfüllen derartige Prototypenwerkzeuge die geforderten Anforderungen nur in Einzelfällen. Eine Ursache ist das enge Prozessfenster durch die Verwendung von Kunststoffen als Werkzeugmaterial und als Formmasse. Im Gegensatz zu Stahl tritt für Kunststoffe bereits bei niedrigen Temperaturen eine plastische Verformung. Die verminderte thermische Leitfähigkeit führt zudem zu einem geringeren Abtransport von Wärme. Dies gilt auch für Kunststoffe, die in additiven Fertigungsverfahren zur Herstellung von Prototypenwerkzeugen eingesetzt werden. Die thermische Auslegung ist eine Auslegungsdisziplin in der Konstruktion von Spritzgießwerkzeugen. Das primäre Ziel ist die Sicherstellung der gleichmäßigen, und schnellen Abkühlung der Formmasse. Unter Berücksichtigung der neuen Randbedingungen verändern sich die Prämissen für die thermische Auslegung. Im neuen zweidimensionalen Zielsystem stellt der Erhalt der Funktion des Werkzeugs unter thermo-mechanischen Belastungen das zweite Ziel zur Anwendung additiver Prototypenwerkzeuge dar. Betriebe stehen vor der Herausforderung, die Auslegung der Werkzeuge nach diesen beiden Zielkriterien auszurichten. Das Ziel dieser Dissertation ist es, Werkzeugbaubetriebe zu befähigen, die thermische Auslegung für additive Prototypenwerkzeuge zu gestalten. Das entwickelte Gestaltungsmodell berücksichtigt in drei Bereichen produkt- und prozessseitige Gestaltungsaspekte sowie Gestaltungsaspekte von Temperiersystemen. Diese Gestaltungsaspekte verteilen sich auf Struktur-, Aktivitäts- und Verhaltenselemente. Strukturelemente definieren Normen und Regeln aus Produkt- und Prozessrandbedingungen. Die Aktivitätselemente beschreiben die Abläufe der thermischen Auslegung. Verhaltenselemente modellieren die Ursache-Wirkzusammenhänge in der Anwendung additiver Prototypenwerkzeuge und befähigen eine zielgerichtete Gestaltung der Struktur- und Aktivitätselemente. Eine Validierung des Gestaltungsmodells anhand eines praktischen Beispiels sowie die Analyse technischer Lösungsansätze zur Steuerung der Temperatur durch die Morphologie der Temperiersysteme ermöglichen der industriellen Praxis, mithilfe des Gestaltungsmodells eine Leistungssteigerung der Nutzung additiver Prototypenwerkzeuge zu realisieren.